Электромагнитная метаповерхность относится к виду искусственного листового материала с субволновыми характеристиками. Метаповерхности могут быть как структурированными, так и неструктурированными с субволновыми масштабными узорами. [1] [2] [3]
В электромагнитной теории метаповерхности модулируют поведение электромагнитных волн посредством определенных граничных условий, а не конститутивных параметров (таких как показатель преломления ) в трехмерном (3D) пространстве, что обычно используется в природных материалах и метаматериалах . Метаповерхности также могут относиться к двумерным аналогам метаматериалов. [4] [5] Существуют также 2,5-мерные метаповерхности, которые включают третье измерение как дополнительную степень свободы для настройки их функциональности. [6]
Определения
Исследователи определяют метаповерхности несколькими способами.
1, «Альтернативный подход, который привлек все большее внимание в последние годы, касается одно- и двумерных (1D и 2D) плазмонных массивов с субволновой периодичностью, также известных как метаповерхности. Из-за их незначительной толщины по сравнению с длиной волны работы, метаповерхности могут (вблизи резонансов составляющих элементарной ячейки) рассматриваться как интерфейс разрыва, обеспечивающий резкое изменение как амплитуды, так и фазы падающего света». [7]
2, «Наши результаты можно понять, используя концепцию метаповерхности, периодического массива рассеивающих элементов, размеры и периоды которых малы по сравнению с рабочей длиной волны». [8]
3, «Метаповерхности на основе тонких пленок». Высокопоглощающая сверхтонкая пленка на подложке также может рассматриваться как метаповерхность со свойствами, не встречающимися в природных материалах. [3] Следуя этому определению, тонкие металлические пленки, такие как в суперлинзах, также являются ранним типом метаповерхностей. [9]
История
Исследование электромагнитных метаповерхностей имеет долгую историю. В начале 1902 года Роберт В. Вуд обнаружил, что спектры отражения металлической решетки субволновой длины имеют темные области. Это необычное явление было названо аномалией Вуда и привело к открытию поверхностного плазмонного поляритона (SPP) [10] — особой электромагнитной волны, возбуждаемой на металлических поверхностях. Впоследствии было введено еще одно важное явление — соотношение Леви-Чивиты [11] , которое гласит, что пленка субволновой толщины может привести к резкому изменению электромагнитных граничных условий.
Вообще говоря, метаповерхности могут включать некоторые традиционные концепции в микроволновом спектре, такие как частотно-селективные поверхности (FSS), импедансные листы и даже омические листы. В микроволновом режиме толщина этих метаповерхностей может быть намного меньше рабочей длины волны (например, 1/1000 длины волны), поскольку глубина скин-слоя может быть минимальной для металлов с высокой проводимостью. Недавно были продемонстрированы некоторые новые явления, такие как сверхширокополосное когерентное идеальное поглощение . Результаты показали, что пленка толщиной 0,3 нм может поглощать все электромагнитные волны в диапазоне радиочастот, микроволн и терагерц. [12] [13] [14]
В оптических приложениях антибликовое покрытие также можно рассматривать как простую метаповерхность, как впервые заметил лорд Рэлей.
В последние годы было разработано несколько новых метаповерхностей, включая плазмонные метаповерхности, [15] [4] [7] [16] [17]
метаповерхности, основанные на геометрических фазах, [18] [19]
метаповерхности, основанные на импедансных листах, [20] [21] и скользяще-симметричные метаповерхности. [22]
Приложения
Одним из важнейших применений метаповерхностей является управление волновым фронтом электромагнитных волн путем придания локальных градиентных фазовых сдвигов входящим волнам, что приводит к обобщению древних законов отражения и преломления . [18] Таким образом, метаповерхность может использоваться как плоская линза, [23] [24] осветительная линза, [25] плоская голограмма , [26] вихревой генератор, [27] дефлектор луча, аксикон и т. д. [19] [28]
Помимо градиентных метаповерхностных линз, метаповерхностные суперлинзы предлагают еще одну степень контроля волнового фронта с помощью затухающих волн. С поверхностными плазмонами в сверхтонких металлических слоях может быть возможно идеальное изображение и литография сверхвысокого разрешения, что разрушает распространенное предположение о том, что все оптические линзовые системы ограничены дифракцией, явлением, называемым дифракционным пределом . [29] [30]
Другое перспективное применение находится в области технологии скрытности . Радарное сечение цели (RCS) традиционно уменьшалось либо с помощью поглощающего излучение материала (RAM), либо с помощью целенаправленного формирования целей таким образом, чтобы рассеянная энергия могла быть перенаправлена от источника. К сожалению, RAM имеют узкую функциональность частотного диапазона, а целенаправленное формирование ограничивает аэродинамические характеристики цели. Были синтезированы метаповерхности, которые перенаправляют рассеянную энергию от источника с использованием либо теории массивов [31] [32] [33], либо обобщенного закона Снеллиуса. [34] [35] Это привело к аэродинамически выгодным формам для целей с уменьшенной RCS.
Метаповерхность также может быть интегрирована с оптическими волноводами для управления направленными электромагнитными волнами . [36] [37] Могут быть реализованы такие приложения для метаволноводов , как интегрированные преобразователи волноводных мод, [37] генераторы структурированного света, [38] [39] универсальные мультиплексоры, [40] [41] и фотонные нейронные сети [42] .
Кроме того, метаповерхности также применяются в электромагнитных поглотителях, преобразователях поляризации, поляриметрах и спектральных фильтрах. [43] Недавно появились и были представлены новые устройства биовизуализации и биосенсорики на основе метаповерхностей. [44] [45] [46] [47] Для многих оптических устройств биовизуализации их громоздкость и большой физический вес ограничили их использование в клинических условиях. [48] [49]
Для плоских оптических метаповерхностей алгоритмы на основе призмы допускают дискретизацию треугольного призматического пространства, что оптимально для плоских геометрий. Алгоритм на основе призмы имеет меньше элементов, чем обычные тетраэдральные методы, что обеспечивает более высокую вычислительную эффективность. [50] Набор инструментов для моделирования был выпущен онлайн, что позволяет пользователям эффективно анализировать метаповерхности с помощью настраиваемых пиксельных шаблонов. [51]
Оптическая характеристика
Характеристика метаповерхностей в оптической области требует передовых методов визуализации, поскольку вовлеченные оптические свойства часто включают как фазовые , так и поляризационные свойства. Недавние работы показывают, что векторная птихография , недавно разработанный метод компьютерной визуализации, может быть релевантной. Она сочетает в себе отображение матрицы Джонса с микроскопическим латеральным разрешением даже на больших образцах. [52]
^ Бомзон, Зеев; Бинер, Габриэль; Кляйнер, Владимир; Хасман, Эрез (2002-07-01). "Оптические элементы фазы Панчаратнама–Берри в пространстве с компьютерно-генерируемыми субволновыми решетками". Optics Letters . 27 (13): 1141–1143. Bibcode :2002OptL...27.1141B. doi :10.1364/OL.27.001141. ISSN 1539-4794. PMID 18026387.
^ ab Yu, Nanfang; Capasso, Federico (2014). «Плоская оптика с дизайнерскими метаповерхностями». Nat. Mater . 13 (2): 139–150. Bibcode : 2014NatMa..13..139Y. doi : 10.1038/nmat3839. PMID 24452357.
^ ab Zeng, S.; et al. (2015). «Архитектуры метаповерхности графена и золота для сверхчувствительного плазмонного биосенсора». Advanced Materials . 27 (40): 6163–6169. Bibcode :2015AdM....27.6163Z. doi :10.1002/adma.201501754. hdl : 20.500.12210/45908 . PMID 26349431. S2CID 205261271.
^ Quevedo-Teruel, O.; et al. (2019). «Дорожная карта по метаповерхностям». Journal of Optics . 21 (7): 073002. Bibcode : 2019JOpt...21g3002Q. doi : 10.1088/2040-8986/ab161d . hdl : 10016/33235 . S2CID 198449951.
^ Соломонов, AI; и др. (2023). "2.5D переключаемые метаповерхности". Оптика и лазерная техника . 161 : 109122. Bibcode : 2023OptLT.16109122S. doi : 10.1016/j.optlastec.2023.109122. S2CID 255887266.
^ ab Pors, Anders; Божевольный, Сергей И. (2013). "Плазмонные метаповерхности для эффективного управления фазой при отражении". Optics Express . 21 (22): 27438–27451. Bibcode : 2013OExpr..2127438P. doi : 10.1364/OE.21.027438 . PMID 24216965.
^ Ли, Пин-Чунь; Чжао, Ян; Алу, Андреа; Ю, Эдвард Т. (2011). «Экспериментальная реализация и моделирование субволновой частотно-селективной плазмонной метаповерхности». Appl. Phys. Lett . 99 (3): 221106. Bibcode :2011ApPhL..99c1106B. doi :10.1063/1.3614557.
^ Wood, RW (1902). «О замечательном случае неравномерного распределения света в спектре дифракционной решетки». Proc. Phys. Soc. Lond . 18 (1): 269–275. Bibcode : 1902PPSL...18..269W. doi : 10.1088/1478-7814/18/1/325.
^ Pu, M.; et al. (17 января 2012 г.). «Ультратонкий широкополосный почти идеальный поглотитель с симметричным когерентным освещением». Optics Express . 20 (3): 2246–2254. Bibcode : 2012OExpr..20.2246P. doi : 10.1364/oe.20.002246 . PMID 22330464.
^ Ли, С.; и др. (2015). «Широкополосное идеальное поглощение ультратонких проводящих пленок с когерентным освещением: суперэффективность электромагнитного поглощения». Physical Review B. 91 ( 22): 220301. arXiv : 1406.1847 . Bibcode : 2015PhRvB..91v0301L. doi : 10.1103/PhysRevB.91.220301. S2CID 118609773.
^ Taghvaee, HR; et al. (2017). «Моделирование схемы графенового поглотителя в терагерцовом диапазоне». Optics Communications . 383 : 11–16. Bibcode : 2017OptCo.383...11T. doi : 10.1016/j.optcom.2016.08.059.
^ Ни, Х.; Эмани, Северная Каролина; Кильдышев А.В.; Болтасева А.; Шалаев, В.М. (2012). «Широкополосное искажение света с помощью плазмонных наноантенн». Наука . 335 (6067): 427. Бибкод : 2012Sci...335..427N. дои : 10.1126/science.1214686 . PMID 22194414. S2CID 18790738.
^ Verslegers, Lieven; Fan, Shanhui (2009). «Планарные линзы на основе наноразмерных щелевых решеток в металлической пленке». Nano Lett . 9 (1): 235–238. Bibcode : 2009NanoL...9..235V. doi : 10.1021/nl802830y. PMID 19053795. S2CID 28741710.
^ ab Yu, Nanfang; Genevet, Patrice; Michael Kats ; Aieta, Francesco; Tetienne, Jean-Philippe; Capasso, Federico; Gaburro, Zeno (2011). «Распространение света с фазовыми разрывами: обобщенные законы отражения и преломления». Science . 334 (6054): 333–337. Bibcode :2011Sci...334..333Y. doi : 10.1126/science.1210713 . PMID 21885733. S2CID 10156200.
^ ab Lin, Dianmin; Fan, Pengyu; Hasman, Erez; Brongersma, Mark L. (2014). «Диэлектрические градиентные метаповерхностные оптические элементы». Science . 345 (6194): 298–302. Bibcode :2014Sci...345..298L. doi :10.1126/science.1253213. PMID 25035488. S2CID 29708554.
^ Пфайффер, Карл; Грбич, Энтони (2013). "Метаматериальные поверхности Гюйгенса: кройка волновых фронтов с помощью безотражательных листов". Phys. Rev. Lett . 110 (2): 197401. arXiv : 1206.0852 . Bibcode :2013PhRvL.110b7401W. doi :10.1103/PhysRevLett.110.027401. PMID 23383937. S2CID 118458038.
^ Фелбак, Дидье (2015). «Описание оператора импеданса метаповерхности». Математические проблемы в инженерии . 2015 : 473079. arXiv : 1507.07736 . doi : 10.1155/2015/473079 .
^ Кеведо-Теруэль, Оскар; и др. (2021). «О преимуществах симметрий скольжения для микроволновых устройств». IEEE Journal of Microwaves . 1 : 457–469. doi : 10.1109/JMW.2020.3033847 . S2CID 231619012.
^ Aieta, Francesco; Genevet, Patrice; Kats, Michael; Yu, Nanfang; Blanchard, Romain; Gaburro, Zeno; Capasso, Federico (2012). «Безаберрационные сверхтонкие плоские линзы и аксиконы на телекоммуникационных длинах волн на основе плазмонных метаповерхностей». Nano Letters . 12 (9): 4932–6. arXiv : 1207.2194 . Bibcode : 2012NanoL..12.4932A. doi : 10.1021/nl302516v. PMID 22894542. S2CID 5412108.
^ И. Морено, М. Авенданьо-Алехо и К. П. Кастаньеда-Альманса, «Метаоптика без визуализации», Opt. Летт. 45, 2744-2747 (2020). https://doi.org/10.1364/OL.391357
^ Ni, X.; Kildishev, AV; Shalaev, VM (2013). "Метаповерхностные голограммы для видимого света" (PDF) . Nature Communications . 4 : 1–6. Bibcode : 2013NatCo...4.2807N. doi : 10.1038/ncomms3807. S2CID 5550551.
^ Луо, Сянган; Исихара, Теруя (2004). «Техника нанолитографии с резонансной интерференцией на основе поверхностного плазмона». Appl. Phys. Lett . 84 (23): 4780. Bibcode : 2004ApPhL..84.4780L. doi : 10.1063/1.1760221.
^ Фанг, Николас; Ли, Хесог; Сан, Ченг; Чжан, Сян (2005). «Ограниченное субдифракцией оптическое изображение с помощью серебряной суперлинзы». Science . 308 (5721): 534–7. Bibcode :2005Sci...308..534F. doi :10.1126/science.1108759. PMID 15845849. S2CID 1085807.
^ Моди, AY; Аляхья, MA; Баланис, CA; Бирчер, CR (2019). «Метод на основе метаповерхностей для широкополосного снижения ЭПР двугранных уголковых отражателей с множественными отражениями». Труды IEEE по антеннам и распространению волн . 68 (3): 1. doi :10.1109/TAP.2019.2940494. S2CID 212649480.
^ Моди, AY; Баланис, CA; Бирчер, CR; Шаман, H. (2019). «Новый класс метаповерхностей снижения RCS на основе подавления рассеяния с использованием теории массивов». Труды IEEE по антеннам и распространению . 67 (1): 298–308. Bibcode : 2019ITAP...67..298M. doi : 10.1109/TAP.2018.2878641. S2CID 58670543.
^ Моди, AY; Баланис, CA; Бирчер, CR; Шаман, H. (2017). «Новая конструкция поверхностей снижения эффективной площади рассеяния сверхширокополосного радара с использованием искусственных магнитных проводников». Труды IEEE по антеннам и распространению радиоволн . 65 (10): 5406–5417. Bibcode : 2017ITAP...65.5406M. doi : 10.1109/TAP.2017.2734069. S2CID 20724998.
^ Ли, Юнфэн; Чжан, Цзецю; Цюй, Шаобо; Ван, Цзяфу; Чен, Хунья; Сюй, Чжо; Чжан, Аньсюэ (2014). «Уменьшение поперечного сечения широкополосного радара с использованием двумерных метаповерхностей с фазовым градиентом». Письма по прикладной физике . 104 (22): 221110. Бибкод : 2014ApPhL.104v1110L. дои : 10.1063/1.4881935.
^ Юй, Нанфан; Дженевет, Патрис; Кац, Михаил А.; Айета, Франческо; Тетьен, Жан-Филипп; Капассо, Федерико; Габурро, Зено (октябрь 2011 г.). «Распространение света с фазовыми разрывами: обобщенные законы отражения и преломления». Science . 334 (6054): 333–337. Bibcode :2011Sci...334..333Y. doi : 10.1126/science.1210713 . PMID 21885733. S2CID 10156200.
^ Мэн, Юань; Чен, Ичжэнь; Лу, Лунхуэй; Дин, Имин; Кусано, Андреа; Фан, Джонатан А.; Ху, Цяому; Ван, Кайюань; Се, Чжэньвэй; Лю, Чжутянь; Ян, Юаньму (22 ноября 2021 г.). «Оптические метаволноводы для интегрированной фотоники и не только». Свет: наука и приложения . 10 (1): 235. Бибкод : 2021LSA....10..235M. дои : 10.1038/s41377-021-00655-x. ISSN 2047-7538. ПМЦ 8608813 . ПМИД 34811345.
^ ab Li, Zhaoyi; Kim, Myoung-Hwan; Wang, Cheng; Han, Zhaohong; Shrestha, Sajan; Overvig, Adam Christopher; Lu, Ming; Stein, Aaron; Agarwal, Anuradha Murthy ; Lončar, Marko; Yu, Nanfang (июль 2017 г.). «Управление распространением и связью волноводных мод с использованием фазово-градиентных метаповерхностей». Nature Nanotechnology . 12 (7): 675–683. Bibcode : 2017NatNa..12..675L. doi : 10.1038/nnano.2017.50. ISSN 1748-3395. OSTI 1412777. PMID 28416817.
^ Го, Сюэсюэ; Дин, Иминь; Чэнь, Си; Дуань, Яо; Ни, Синцзе (17.07.2020). «Формование света в свободном пространстве с помощью направляемых волновых метаповерхностей». Science Advances . 6 (29): eabb4142. arXiv : 2001.03001 . Bibcode : 2020SciA....6.4142G. doi : 10.1126/sciadv.abb4142. ISSN 2375-2548. PMC 7439608. PMID 32832643 .
^ Cheben, Pavel; Halir, Robert; Schmid, Jens H.; Atwater, Harry A.; Smith, David R. (август 2018 г.). «Интегрированная фотоника субволнового диапазона». Nature . 560 (7720): 565–572. Bibcode :2018Natur.560..565C. doi :10.1038/s41586-018-0421-7. ISSN 1476-4687. PMID 30158604. S2CID 52117964.
^ Мэн, Юань; Лю, Чжутянь; Се, Чжэньвэй; Ван, Райд; Ци, Тяньчэн; Ху, Футай; Ким, Хёнсок; Сяо, Цижун; Фу, Син; Ву, Цян; Бэ, Сан-Хун; Гонг, Мали; Юань, Сяокун (01 апреля 2020 г.). «Универсальное соединение света на кристалле и (де) мультиплексирование от произвольных поляризаций до управляемых волноводных мод с использованием интегрированной диэлектрической метаповерхности». Фотонные исследования . 8 (4): 564. doi :10.1364/PRJ.384449. ISSN 2327-9125. S2CID 213576669.
^ Рубин, Ноа А.; Заиди, Аун; Юль, Майкл; Ли, Руо Пин; Мюллер, Дж. П. Бальтазар; Девлин, Роберт К.; Леоссон, Кристьян; Капассо, Федерико (2018-08-20). «Генерация и измерение состояния поляризации с помощью одной метаповерхности». Optics Express . 26 (17): 21455–21478. Bibcode : 2018OExpr..2621455R. doi : 10.1364/OE.26.021455. ISSN 1094-4087. PMID 30130853.
^ A. Arbabi (2016). «Миниатюрная оптическая планарная камера на основе широкоугольного метаповерхностного дублета с коррекцией монохроматических аберраций». Nature Communications . 7 : 13682–89. arXiv : 1604.06160 . Bibcode : 2016NatCo...713682A. doi : 10.1038/ncomms13682. PMC 5133709. PMID 27892454 .
^ W. Chen (2018). «Широкополосная ахроматическая металинза для фокусировки и получения изображений в видимом диапазоне». Nature Nanotechnology . 13 (3): 220–226. Bibcode : 2018NatNa..13..220C. doi : 10.1038/s41565-017-0034-6. PMID 29292382. S2CID 205567341.
^ S. Zhang (2020). «Метаповерхности для биомедицинских приложений: визуализация и зондирование с точки зрения нанофотоники». Нанофотоника . 10 (1): 259–293. Bibcode : 2020Nanop..10..373Z. doi : 10.1515/nanoph-2020-0373 . hdl : 10023/20902 . S2CID 225279574.
^ L. Jiang (2017). «Многофункциональная гиперболическая наноканавочная метаповерхность для субмолекулярного обнаружения». Small . 13 (30): 1700600–10. doi :10.1002/smll.201700600. PMID 28597602.
^ М. Беруэте (2019). «Терагерцовое зондирование на основе метаповерхностей». Advanced Optical Materials . 8 (3): 1900721–28. doi :10.1002/adom.201900721. S2CID 199649103.
^ Р. Ахмед (2020). «Настраиваемые Фано-резонансные метаповерхности на одноразовом пластиковом шаблоне для мультимодального и мультиплексного биосенсорного измерения». Advanced Materials . 32 (19): 1907160–78. Bibcode :2020AdM....3207160A. doi :10.1002/adma.201907160. hdl :11693/75646. PMC 8713081 . PMID 32201997.
^ Mai, Wending; Campbell, Sawyer D.; Whiting, Eric B.; Kang, Lei; Werner, Pingjuan L.; Chen, Yifan; Werner, Douglas H. (2020-10-01). «Метод призматического разрывного временного интервала Галеркина с интегрированной обобщенной моделью дисперсии для эффективного оптического анализа метаповерхностей». Optical Materials Express . 10 (10): 2542–2559. Bibcode : 2020OMExp..10.2542M. doi : 10.1364/OME.399414 . ISSN 2159-3930.
^ Май, Вендинг; Вернер, Дуглас (2020). «призма-DGTD с GDM для анализа пикселизированных метаповерхностей». doi : 10.17605/OSF.IO/2NA4F.{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )